人造重力离现实有多远

UFO爱好者

电影《安德的游戏》中 ，主人公安德和他的队友们第一次走进零重力战斗室，发现自己漂浮在空中，变得手足无措，难以分清方向。作为战斗学校的一个重要训练项目，零重力室无论在电影和小说中，都有着重要的位置。
　　在安德的世界中，人类已经可以在太空中产生人造重力，安德在到达ISL（Inter Stellar Launch，内恒星空间站）之后，他们已经可以像在地球上一样，正常地进行日常生活，而不用像“天宫”中的宇航员一样，漂浮在舱内。在小说中，传奇指挥官马泽·雷汉（Mazer Rackham）曾经告诉安德，重力的操控是从虫族学来的某种重力增强技术。
　　我们目前显然还没有遇到如此强大的虫族，那么在目前的技术条件下，人类是否可以在空间站产生人造重力呢？
　　粗放的实现方法：住在“圆筒”里
　　从理论上来讲，最直接的一种方案当属通过旋转空间站来实现：我们可以让一个圆筒状的空间站沿着轴线转动，从而使得在居住在圈桶内壁的人员感受到一种人工重力效应，这就是著名的离心效应或者向心力作用。
　　形象点来说，就好比在旋转的洗衣机滚筒中，衣服都会贴在两边的筒壁上，而并非漂浮在中间的水里。
　　


圆筒形空间站概念图
　　不过这样的空间中还会有另外一个问题，那就是科里奥利效应。这种效应可以这样理解：假如我在地球上，要在一个转动的圆盘上面走一条（相对于地面）的直线，那么我实际走出的路线，在这个圆盘上看来却是一条弯曲的曲线。似乎在圆盘参照系中，我受到了一个额外的力的作用，垂直于我的运动方向，这个假想的力就是
     
  
        科里奥利力。
　　刚才我们提到，人造重力可以在一个不停旋转的空间站中实现，所以这种效应也会影响人们在旋转空间站中的生活。问题在于，这种科里奥利效应会在多大程度上影响空间站成员的生活呢？
　　在上面图片中这种圆筒状空间站中，对于自由落体运动，下落的高度越高，横向的偏离就越大，而圆筒空间站的半径越大，横向的偏离就越小。如果我们把空间站的半径建造得足够大，那么这种科里奥利效应造成的自由落体横向偏离就会变得很小。
　　更直观一点来说，如果我们建造一个半径10千米的圆筒空间站，在离内壁1米的高度让一个小球自由落体，那么小球落地之后的横向偏离只有不到1厘米。这样的偏移程度对空间站中的正常生活就没有明显的影响。其实科里奥利效应在地球上也照样存在，因为地球也会自转的不是？但是我们正常走路开车打网球，也从来没有因为科里奥利效应受到任何的影响。
　　实际上模拟出来的重力加速度是转速和圆筒半径同时决定的。只有我们做的空间站半径足够大，转速不需要很大即可保证某个合适的人工重力，这样科里奥利效应也会被控制得很小。
　　上面讨论的这种圆筒状的空间站只是“人造重力”模型中比较简单的一种。20世纪70年代，曾经有过很多的不同的空间站设计，另外一种比较简单的设计则是甜甜圈状的空间站。
　　


甜甜圈状空间站概念图
　　虫族科技可能是什么？
　　上面我们提到了如何在整个空间站中制造人造重力，但是在实际操作中（以及电影小说中），宇航员们难免需要在空间站里提供一个特别的无重力区域，来适应太空中的失重环境。那么在空间站的设计中，又怎样达到这样的目的呢？
     
  
        
　　其中一个重要的方式，就是建立分层。不管是哪种空间站，都可以建立分层，即在距离旋转中心（旋转轴）不同距离的地方建立居住区，距离中心越近，人造重力就越小。如果我们站在空间站的中心，那么人造重力就为零了，但是越靠近中心，科里奥利效应就越明显。所以如果把电影中的“战斗室”建立在空间站中轴上面的话，当人们从门口跳进来时，旋转会造成科里奥利效应等不必要的麻烦，也会影响训练的效果。
　　在《安德的游戏》中，零重力战斗室的设计就更加聪明一些：中间的战斗室是不转动的，只有外部的生活区才转动。这样，战斗室的旋转所导致的问题就不会发生了。
　　


《安德的游戏》中的战斗学校空间站，中间的球体是零重力战斗室
　　说了这么多，其实ISL上“从虫族学来的”的神秘的重力控制技术并非上述几种之一，小说中也并没有给出明确的线索。不过如果我们大胆设想的话，除了我们提到的几点外，产生人造重力还可以使用加速过程，比如让ISL一直处在一个加速过程中、让ISL在广袤的宇宙中匀加速前进，或者让它在一个靠近行星的地方悬停，但这是个很浪费能源的方案，不是长久之计。
　　还可以让ISL携带一个大质量的物体。在所有备选的物体中，小型黑洞可能是个不错的选择，比如捕捉很多小质量黑洞，放在一个装置中，就可以产生相应的重力，但是从捕获到储存，按照现在的理论，都还只是天方夜谭，而且带着地球这么重的物体，ISL的机动性简直会变为零。
　　所以，我实在想不出一个现实的理论来为《安德的游戏》中的ISL提供重力，不过，在一个存在超距通信“安塞波”的故事中，无论出现什么样的技术都不足为奇了吧:)